Development of synthetic molecular transducers that mimic the functions of natural membrane receptors

• Project Area: Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
• Project/Area Number: 21H05872
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 佐藤 浩平 東京工業大学, 生命理工学院, 助教 (40825197)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 生体膜 / 両親媒性分子 / 脂質リポソーム / ポリアミン / 超分子化学 / 細胞膜 / 細胞表面受容体 / 有機化学 / シグナル伝達

Outline of Research at the Start

我々の身体を構成する細胞の表面では、受容体タンパク質が細胞外のシグナルを受信し、細胞内部へと別のシグナルを送信することで、環境に応じたダイナミックな細胞活動の変化を実現している。本研究では、このような天然の細胞表面受容体タンパク質の洗練された構造と機能から着想を得て、酵素連結型受容体並びにGタンパク質共役型受容体を模倣した人工分子トランスデューサーの開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，前年度合成に成功した人工分子トランスデューサーの生体膜内部における物性評価を行った．既に人工分子トランスデューサーが膜の内部に導入されることは明らかになっていたため，この状態に対して外部からカルシウムイオンやポリアミンを添加することで，人工分子トランスデューサーのリン酸基を介した非共有結合性の分子間架橋によって自己集合することを期待した．しかし各種分光測定の結果，いずれの実験条件においても人工分子トランスデューサーの自己集合を示唆するようなスペクトル変化を観察することはできなかった．一方で，前年度に合成していた人工分子トランスデューサーのオクタエチレングリコール部位をコレステロールに置き換えた両親媒性分子を別途合成し，リン脂質からなるリポソーム（人工細胞モデル）へと導入するとともに，その外部刺激応答性を同様に検討したところ，驚くべきことにポリアミンの添加に伴ってリポソーム同士が凝集し，多細胞集合体のような物体の形成が観察された．その際，個々のリポソームは破裂することなくその形状を保っていた．一方で，ポリアミンのモノマーに相当する分子を添加してもリポソームの凝集は確認されなかったことから，複数の両親媒性分子とポリアミンが多価相互作用によって分子間架橋することでリポソームの凝集が促進されていることが示唆された．今後は，このリポソーム凝集現象の可逆性を検証するとともに，リポソーム間の物質輸送の可能性についても検討していく予定である．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Dense and Acidic Organelle-Targeted Visualization in Living Cells: Application of Viscosity-Responsive Fluorescence Utilizing Restricted Access to Minimum Energy Conical Intersection (2023)
  • Author(s): Adachi Junya、Oda Haruka、Fukushima Toshiaki、Lestari Beni、Kimura Hiroshi、Sugai Hiroka、Shiraki Kentaro、Hamaguchi Rei、Sato Kohei、Kinbara Kazushi
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95 Issue: 12 Pages: 5196-5204
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c04133
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Automated Fast-Flow Synthesis of C9orf72 Dipeptide Repeat Proteins (2023)
  • Author(s): Sato Kohei、Farquhar Charlotte E.、Pentelute Bradley
  • Journal Title: ChemRxiv Volume: -
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2023-17b15
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Supramolecular Mechanosensitive Potassium Channel Formed by Fluorinated Amphiphilic Cyclophane (2022)
  • Author(s): Sato Kohei、Sasaki Ryo、Matsuda Ryoto、Nakagawa Mayuko、Ekimoto Toru、Yamane Tsutomu、Ikeguchi Mitsunori、Tabata Kazuhito V.、Noji Hiroyuki、Kinbara Kazushi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 26 Pages: 11802-11809
  • DOI: 10.1021/jacs.2c04118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiblock Amphiphilic Triptycene toward Bioinspired Molecular Rotor in Membrane (2022)
  • Author(s): Yospanya Wijak、Sato Kohei、Kinbara Kazushi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 10 Pages: 1026-1028
  • DOI: 10.1246/cl.220360
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Synthetic Molecules with Protein Like Functions (2022)
  • Author(s): SATO Kohei、KINBARA Kazushi
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 4 Pages: 219-223
  • DOI: 10.2142/biophys.62.219
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
• [Journal Article] Photocatalytic Aqueous CO₂ Reduction to CO and CH₄ Sensitized by Ullazine Supramolecular Polymers (2022)
  • Author(s): Dumele Oliver、?or?evi? Luka、Sai Hiroaki、Cotey Thomas J.、Sangji M. Hussain、Sato Kohei、Dannenhoffer Adam J.、Stupp Samuel I.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 7 Pages: 3127-3136
  • DOI: 10.1021/jacs.1c12155
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Supramolecular Transmembrane Ion Channels Formed by Multiblock Amphiphiles (2021)
  • Author(s): Sato Kohei、Muraoka Takahiro、Kinbara Kazushi
  • Journal Title: Accounts of Chemical Research Volume: 54 Issue: 19 Pages: 3700-3709
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00397
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Functional supramolecular channel in the biomembrane (2023)
  • Author(s): Kohei Sato
  • Organizer: FS CREATION Colloquium
  • Invited
• [Presentation] 細胞膜で機能する超分子システムの開発 (2022)
  • Author(s): 佐藤浩平
  • Organizer: 関西学院大学
  • Invited
• [Presentation] 細胞膜上でのシグナル伝達を模倣した超分子システムの創成 (2022)
  • Author(s): 佐藤浩平
  • Organizer: 関東高分子若手研究会サマーキャンプ2022
  • Invited
• [Presentation] 膜間イオン輸送を実現する人工チャネルの開発 (2022)
  • Author(s): 佐藤浩平
  • Organizer: 第34回生物無機化学夏期セミナー
  • Invited
• [Presentation] Transmembrane material transport by fluorinated channels (2022)
  • Author(s): Kohei Sato
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Selective Transmembrane Material Transport by Fluorinated Channels (2022)
  • Author(s): Kohei Sato
  • Organizer: 第71回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] フッ素化人工チャネルによる膜間物質輸送 (2022)
  • Author(s): 佐藤浩平
  • Organizer: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] Stimuli-responsive synthetic ion channels formed by fluorinated multiblock amphiphiles (2022)
  • Author(s): Kohei Sato
  • Organizer: The 17th Pacific Polymer Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 膜タンパク質を模倣した交互両親媒性分子の階層的集合化と機能発現 (2021)
  • Author(s): 佐藤浩平、佐々木崚、田端和仁、野地博行、金原数
  • Organizer: 第70回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] Fluorinated multiblock amphiphiles and their transmembrane ion transport properties (2021)
  • Author(s): Kohei Sato、Ryo Sasaki、Kazuhito Tabata、Hiroyuki Noji、Kazushi Kinbara
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiblock amphiphile bearing imidazolinium as transmembrane anion transporter (2021)
  • Author(s): Miki Mori、Kohei Sato、Toru Ekimoto、Shinichi Okumura、Mitsunori Ikeguchi、Kazuhito Tabata、Hiroyuki Noji、Kazushi Kinbara
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of anthracene-based multiblock amphiphile and its stimuli-responsiveness within phospholipid membranes (2021)
  • Author(s): Junya Adachi、Kohei Sato、Kazushi Kinbara
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of chiral multiblock amphiphiles and their functions within lipid bilayer membranes (2021)
  • Author(s): Ryoto Matsuda、Kohei Sato、Ryo Sasaki、Kazuhito Tabata、Hiroyuki Noji、Kazushi Kinbara
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体内のシグナル伝達を模倣した超分子システムの構築 (2021)
  • Author(s): 佐藤 浩平
  • Organizer: 分子サイバネティクス第11回領域セミナー
  • Invited
• [Presentation] Development of functional anthracene-based multiblock fluorophore for visualization of biological environment (2021)
  • Author(s): Junya Adachi、Kohei Sato、Kazushi Kinbara
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会
• [Presentation] 両親媒性分子の過渡的な生成に基づく化学反応サイクルの構築 (2021)
  • Author(s): 中川 優芽、森 未妃、佐藤 浩平、金原 数
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会
• [Presentation] 構造化大環状ポリアミドの自己集合 (2021)
  • Author(s): 中村 彰吾、玉田 浩之、佐藤 浩平、金原 数
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会